التحسين المقارن لتنسيق مرحلات التيار الزائد في شبكات التوزيع المتكاملة مع التوليد الموزع: خوارزمية دورة المياه مقابل الخوارزمية الجينية والانفجار العظيم–الانهيار العظيم

الحفاظ على الإضاءة عند تدفق الطاقة في كلا الاتجاهين

مع إضافة المنازل والشركات لألواح شمسية على الأسطح وتوربينات رياح صغيرة ومولدات محلية أخرى، لم يعد التيار الكهربائي يتدفق من محطات الطاقة الكبيرة إلى الخارج فقط. بدلاً من ذلك، يمكن أن تتحرك الطاقة في اتجاهات متعددة في آن واحد، خاصة عندما تعمل أجزاء من الشبكة كـ"شبكات مصغرة" معزولة عن النظام الرئيسي. هذا التحول مفيد للطاقة النظيفة، لكنه يجعل من الصعب ضمان اكتشاف الأعطال—مثل القصر—وعزلها بسرعة دون فصل عدد أكبر من المشتركين الضروريين. تستكشف هذه الدراسة كيف يمكن لخوارزميات البحث الحديثة ضبط أجهزة الحماية في الشبكة لتعمل بشكل موثوق في هذا العالم الأشد تعقيدًا.

لماذا تُربك مصادر الطاقة الجديدة الحماية التقليدية

بُنيت شبكات التوزيع التقليدية على فكرة بسيطة: التيار يتدفق من الشبكة الرئيسية عبر الخطوط والمحولات إلى المشتركين. تراقب أجهزة الحماية المسماة مرحلات التيار الزائد كمية التيار المارة خلالها. إذا ارتفع هذا التيار فجأة، مشيراً إلى وجود عطل، تنفصل المرحلات القريبة أولاً بينما تنتظر باقي المرحلات قليلاً لتعمل كنسخة احتياطية. يفترض هذا التوقيت الدقيق، المسمى التنسيق، أن تيارات الأعطال تأتي دائماً من اتجاه واحد. عند إضافة مولدات محلية مثل حقول الطاقة الشمسية وتوربينات الرياح عبر الشبكة، ينهار هذا الافتراض. يمكن الآن أن تأتي تيارات الأعطال من نقاط متعددة وفي كلا الاتجاهين، ما يغير حجمها ومسارها اعتماداً على كيفية تكوين المولدات والخطوط في تلك اللحظة.

عندما تتحول الشبكة إلى جزيرة

تزداد المشكلة صعوبة عندما تنفصل شبكة حي ما عن النظام الأكبر وتعمل بذاتها، وهو وضع يعرف بالتشغيل المعزول. في هذه الحالة، توفر المولدات القائمة على المحولات (العاكبات) تيار عطل محدوداً فقط، ما يجعل الفاصل بين الحالات الطبيعية وحالات العطل أصغر بكثير. هذا يترك هامش خطأ أقل في توقيت المرحلات: التفريغ السريع قد يفصل أجزاء سليمة من الشبكة، والتأخير قد يعرض المعدات للضرر ويطيل الانقطاعات. يدرس المؤلفون شبكتين تجريبيتين—تخطيط شعاعي بسيط مكون من 9 محطات وتخطيط معقد مكون من 30 محطة متشابك—لرؤية مدى قدرة طرق التحسين المختلفة على إيجاد إعدادات مرحلات تعمل في أوضاع الاتصال بالشبكة، ومع وجود توليد محلي، وحالة التشغيل المعزول.

ترك الخوارزميات تبحث عن إعدادات أفضل

بدلاً من ضبط إعدادات المرحلات يدوياً، يعالج الباحثون مسألة التنسيق كمشكلة تحسين. الهدف هو تقليل المدة التي تستغرقها المرحلات الأساسية لإزالة الأعطال، مع الحفاظ على فجوة زمنية آمنة قبل أن تتدخل أي مرحلات احتياطية. يستخدمون حسابات تيارات الأعطال من برمجيات متخصصة في أنظمة الطاقة ثم يطبقون ثلاث خوارزميات مابعد تحولية—الخوارزمية الجينية (GA)، خوارزمية دورة المياه (WCA)، والانفجار العظيم–الانهيار العظيم (BB‑BC)—للبحث عبر إعدادات مضاعف الزمن الممكنة لكل مرحل. تحاكي هذه الأساليب عمليات طبيعية مثل التطور أو تدفق المياه أو التمدد والانهيار الكوني لاستكشاف عدد كبير من التركيبات دون الحاجة لتدرجات رياضية مفصلة.

ما الذي يحدث في الشبكات البسيطة والمعقدة

بالنسبة لنظام الـ9 محطات الأبسط في الوضع العادي المتصل بالشبكة بدون توليد محلي، تعثر الطرق الثلاث بسرعة على حلول جيدة بوقت إخماد إجمالي قصير وتنسيق مناسب. عند إضافة مولدات موزعة وتصبح تيارات الأعطال ثنائية الاتجاه، تصبح المهمة أصعب. تعطي الخوارزمية الجينية أسرع وقت إخماد إجمالي لكنها في بعض الحالات تقارب أو تتجاوز قليلاً هامش الأمان المرغوب بين المرحل الأساسي والمرحلات الاحتياطية. تمنح خوارزمية دورة المياه وBB‑BC أوقات إخماد إجمالية أطول قليلاً لكن تحافظان على هوامش تنسيق أكثر صحة. في التشغيل المعزول، حيث تكون تيارات الأعطال الأدنى والهوامش الأضيق، تعطي GA مرة أخرى أقصر وقت إجمالي لكنها تُظهر انتهاكاً للتنسيق في زوج مرحلات واحد على الأقل، بينما تحافظ WCA على التنسيق بتكلفة استجابة أبطأ قليلاً ويعاني BB‑BC أكثر من غيره. في الشبكة المتشابكة الأكثر تعقيداً المكونة من 30 محطة، والتي تستخدم مرحلات تميز بين اتجاهي العطل الأمامي والعكسي، تنجح الطرق الثلاث، مع إنتاج WCA لأدنى وقت إخماد مجمّع.

ما يعنيه ذلك لشبكات المستقبل

بالنسبة لغير المتخصصين، الخلاصة أن الحفاظ على نظام طاقة نظيف وموثوق هو أمر يتطلب موازنة. دفع توقيت المرحلات لتكون سريعة قدر الإمكان ليس دائماً الخيار الأفضل عندما تشارك مولدات محلية قائمة على العاكبات وتكون تيارات الأعطال متواضعة. بدلاً من ذلك، قد توفر طرق مثل خوارزمية دورة المياه التي توازن بين السرعة والصلابة واحترام هوامش السلامة حماية أكثر اعتمادية مع تحول الشبكات إلى نمط أكثر ديناميكية ولا مركزية. تشير الدراسة إلى أن أدوات تحسين مختارة بعناية، مقترنة بنماذج واقعية لسلوك الأعطال، يمكن أن تساعد في ضمان أنه حتى مع تعقيد تدفقات الطاقة، تظل الأعطال تُزال بشكل انتقائي وتبقى الأغلبية العظمى من المشتركين موصلين بالطاقة.

الاستشهاد: Mohamed, R.E., Saleh, S.M. & Ahmad, A.G. Comparative optimization of overcurrent relay coordination in DG-integrated distribution networks: water cycle algorithm versus genetic algorithm and big bang–big crunch. Sci Rep 16, 10529 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43242-z

الكلمات المفتاحية: التوليد الموزع, حماية الشبكات الصغيرة, مرحلات التيار الزائد, تنسيق المرحلات, التحسين مابعد التحريضي